Технология PERED: ускоренное энергоэффективное прямое восстановление железа

Технология PERED для производства прямовосстановленного железа

Технология PERED (также «Persian Reduction») — технология прямого восстановления, запатентованная «Mines and Metals Engineering GmbH» в 2007 г. Процесс превращает оксиды железа (пеллеты или агломерат/глубину) в высоковосстановленный продукт для сталеплавильного производства. Восстановление происходит в твердой фазе в шахтной печи восстановительным газом без плавления. Технология улучшает процесс прямого восстановления для производства ПВЖ.

Это газовый процесс, разработанный командой экспертов с опытом в различных областях прямого восстановления для оптимизации всех потоков. Основной восстановительный газ — конвертированный природный газ; возможны также Corex-газ, коксовенный газ и др. PERED снижает капитальные затраты, расход воды, затраты на обслуживание и энергопотребление.

В PERED восстановление проходит при более низкой температуре благодаря улучшенному охлаждению и снижению выбросов загрязняющих газов. Меньше тепла, более однородный восстановительный газ, лучше контролируемая загрузка пеллет, использование центрифугальных компрессоров — всё это снижает расход воды, электроэнергии, газа, а также операционные и ремонтные расходы.

Продукция PERED: (i) холодное ПВЖ (CDRI); (ii) горячебрикетированное железо (ГБЖ/HBI); (iii) комбинации CDRI/HBI, HBI/горячее ПВЖ (HDRI), CDRI/HDRI.

Энергоэффективность и гибкость

PERED — улучшенная энергоэффективная технология, экономящая энергию и сырье. Оптимальное использование ресурсов снижает себестоимость и делает процесс более экологичным по сравнению с другими газовыми методами. Обеспечивает операционную гибкость: широкий спектр сырья (в т.ч. руды с высокой серой) и энергоносителей. Допускается до 50% рудной глубины. Работает на повышенном давлении. Сухой процессный газ дает больший газовый расход при той же системе → выше производительность или меньшее энергопотребление при том же выходе.

Первая промышленная установка PERED (0,8 млн т/год) запущена в июне 2017 г. в г. Шадеган (провинция Хузестан, Иран). Запуск прошел без проблем. Металлизация продукта >93%, углерод >1,5%. Мощность 75 т/ч достигнута в первый день с хорошими показателями расхода ресурсов. Проектная мощность достигнута в короткий срок. Вторая установка (0,8 млн т/год) введена в эксплуатацию в октябре 2017 г. на комплексе Mianeh Steel (провинция Востochный Азербайджан, Иран) (Рис. 1). Строятся еще две установки по 0,8 млн т/год и одна 0,3 млн т/год (в КНР на коксовенном газе).

Рис. 1. Установка PERED на комплексе Mianeh Steel (Иран)

Ключевые улучшения процесса PERED

• Непрерывный процесс с бесперебойным потоком восстановительного газа для деоксидирования руды и карбуризации ПВЖ.
• Минимизация расхода топлива за счет рециркуляции верхового газа шахтной печи обратно в процесс.
• Система конвертирования специально рассчитана на использование CO₂, образующегося при восстановлении оксидов железа. Каталитическое конвертирование природного газа без образования сажи — исключает необходимость внешнего источника O₂ для частичного окисления метана.
• Максимальная регенерация тепла: предварительный нагрев основного воздуха, природного газа и питанинного газа.

Инновации в основном оборудовании: шахтная печь

Шахтная печь уникальна: улучшенные режимы движения твердой фазы и газа для интенсификации реакций → больший объем зоны восстановления → выше производительность. Двойная инъекция восстановительного газа улучшает его распределение. Улучшена загрузка и распределение рудного заряда — новая подающая труба.

Особенности верхней (восстановительной) зоны: (i) подача и распределение оксидов специальными трубами; (ii) оптимизация соотношения высота/диаметр для лучшего использования объема; (iii) оптимизация реакций восстановления: FeO+CO=Fe+CO₂ и FeO+H₂=Fe+H₂O.

Оптимизация реакций достигается за счет: (i) отсутствия оборудования в зоне восстановления; (ii) снижения образования мелкой фракции благодаря улучшенному распределению; (iii) максимизации эффективного объема зоны восстановления; (iv) конструкции, исключающей утечки газа; (v) снижения капитальных и эксплуатационных затрат.

Конструктивные особенности зоны восстановления: (i) двойной отбор верхового газа с верхнего дна; (ii) улучшенный температурный профиль заряда для равномерного качества; (iii) снижение выноса мелкой фракции для продления жизни огнеупоров верхового газовода; (iv) оптимизация размеров печи для нужного объема зоны восстановления; (v) более низкая температура верхового газа → меньшая нагрузка на скрубберы. Дополнительно: (i) двойная инъекция восстановительного газа; (ii) прямоугольные бустл-порты для лучшей инъекции и обслуживаемости; (iii) коническая огнеупорная выкладка для компенсации вспучивания ПВЖ; (iv) гибкость температур и газовых составов за счет инъекции кислорода; (v) улучшенная утилизация бустл-газа; (vi) улучшенное распределение газа в печи; (vii) равномерная температура по сечению; (viii) исключение кластеризации; (ix) возможность использования рудной глубины; (x) рост производительности и качества.

In-situ конвертирование газа в шахтной печи

Горячий бустл-газ содержит CH₄, CO₂, H₂O. Контакт с металлическим железом (катализатор) генерирует дополнительный восстановительный газ внутри печи. Реакции (эндотермические):

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂   ΔH > 0

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂   ΔH > 0

Эндотермичность требует высокой температуры бустл-газа, но высокие температуры вызывают деградацию пеллет/глубины, образование мелкой фракции, кластеризацию. Двойной бустл-порт оптимизирует содержание CH₄ для контроля температуры заряда.

Особенности газового конвертера PERED

• Природный газ предварительно нагревается в рекуператоре дымовых газов конвертера.
• Система рекуперации забирает тепло от дымовых газов конвертера.
• Многокамерный конвертер с каталитическими трубами Ø250 мм, компактный.
• Специально разработан катализатор «Performex».

Охлаждающая зона шахтной печи

360° вращающиеся питатели заряда. Современный дизайн обеспечивает равномерную работу. Заряд подается четырьмя независимо управляемыми вращающимися валами. Холодная зона — без водяной рубашки. При кластеризации — разрыв обратным вращением и контролем скорости. Охлаждающий газ инъецируется из внешнего коллектора, горячий газ равномерно отбирается формованными отборами. Коллектор без огнеупора — нет риска его отказа. Система охлаждения исключает попадание частиц в скруббер. Газ сжимается и подается в нижнюю зону выхода продукта печи.

Типовые параметры установки 0,8 млн т/год

Табл. 1. Типовые спецификации установки PERED
№	Параметр	Ед. изм.	Значение
1	Мощность	млн т/год	0,8
2	Размер оксидных пеллет	мм	5–35
3	Диаметр шахтной печи	м	~5,5
4	Общая высота	м	~52
5	Часовая производительность	т/ч	105
6	Часы работы в год	ч	8000
7	Рабочая температура печи	°C	850
8	Норм. верхов. давление (верх)	кгс/см²	0,6
9	Норм. верхов. давление (низ)	кгс/см²	2,1 макс.
10	Потребность в восстановительном газе	норм. м³/ч	170 000
11	Восстановительный газ на 1 т продукта	норм. м³	1 600
12	Плотность ПВЖ	т/м³	1,7
13	Плотность оксидной руды	т/м³	2,3

Полезные особенности PERED

• Проверенный процесс с успешной коммерческой эксплуатацией.
• Низкая удельная капитальная стоимость.
• Низкое удельное энергопотребление → ниже энергозатраты.
• Низкая операционная стоимость.
• Низкий удельный расход воды.
• Низкий уровень загрязнения среды.
• Несколько продуктовых опций: CDRI, HDRI, HBI.
• Гибкость по сырью: до 50% рудной глубины.
• Возможность использования высокосернистых руд.
• Существуют проекты установок мощностью >1 млн т/год.